Elektrotechnika i elektronika (konspekt)

Franciszek Gołek ([e-mail])

www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Wykład 10

Tranzystory bipolarne.

Niezwykle ważnymi dla wynalezienia tranzystora były:
1) W 1936 r. Mervin Kelly organizuje grupę badawczą dla rozwoju

urządzeń elektronicznych na bazie ciał stałych (jak diody
krystaliczne zamiast lamp próżniowych).

2) Inna grupa powołana w 1946 r. przez M. Kelly’ego, której

kierownikiem został Bill Shockley decyduje aby zająć się
najprostszymi półprzewodnikami: germanem i krzemem.

3) Bardeen i Brattain, na podstawie prac z Purdue University szybko

orientują się, że głównym problemem uzyskania efektu polowego
(zmiany oporności wymuszane zewnętrznym polem elektrycznym)
są stany powierzchniowe.

4) Wcześniejsze wynalezienie lamp elektronowych, których wady

(straty mocy na grzanie katod i koszty produkcji) należało
wyeliminować a pozostawić zaletę; efekt wzmacniania sygnałów
elektrycznych.

Lampy próżniowe Lampa trioda

Tranzystor jest elementem, który zmieniając swoją
oporność może wzmacniać sygnały
elektryczne w sprzęcie audio albo jako
tzw. 0-1 przełącznik realizować funkcje
logiczne w obwodach cyfrowych.
Znacznie wcześniej przed powstaniem
tranzystora wynaleziono Lampę
(J.A. Fleming 1904 – dioda próżniowa
oparta na efekcie Edisona,
Lee De Forest 1906 – trioda próżniowa,
I. Langmiur 1912 - wysoko-
próżniowe lampy radiowe). Poczynając
od lampy triody, złożonej z katody,
anody oraz umieszczonej między nimi
siatki, stało się możliwe sterowanie
prądem anoda-katoda przy pomocy pola elektrycznego siatki i małego prądu siatka-

katoda. Ten swoisty „zawór” (w którym potencjał siatki przymyka prąd anodowy)

zapewnił efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych. Dla wielu badaczy efekt

wzmocnienia sygnału sterującego triodą był inspiracją w pracach nad otrzymaniem
tranzystora

.

www.angelfire.com/planet/funwithtransistors/Book CHAP-4A.html www.daheiser.info/VTT/TEXT/vacuum%20tube

%20characteristic%20equations.pdf

Wzmacnianie sygnałów elektrycznych na zasadzie dzielnika

napięcia zawierającego jeden sterowalny, zmienny rezystor.

Rozważmy układ szeregowo połączonych: sterowanego rezystora

zmiennego Rz i rezystora stałego – odbiornika Ro połączonych z
zasilaczem tak jak dzielnik napięcia. Mamy tu

U

Ro

= Ro

×

U/(Ro + Rz) – napięcie na Ro

U

Rz

= Rz

×

U/(Ro + Rz) – napięcie na Rz.

Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <<Ro moc
wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu
od P

min

= 0 do P

max

= U

2

/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej

wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość
P

wy

≈

P

max

= U

2

/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który „pokręcił”

rezystorem Rz była mniejsza od P

max

to otrzymaliśmy wzmocnienie

sygnału K

P

= P

wy

/P

s

. Taki trick można wykonać zarówno przy pomocy

lampy jak i tranzystora.
Zdolność wpływania sygnału elektrycznego na inny sygnał elektryczny to

podstawowa cecha tzw. elementów aktywnych. Obecnie w układach

elektronicznych elementy aktywne w postaci tranzystorów występują wyjątkowo

obficie.

Trioda jako element dzielnika napięcia dającego wzmocnienie

sygnału elektrycznego

. Dzięki dużej przeźroczystości siatki S wielokrotnie mniej

elektronów trafia w siatkę niż zostaje przez nią przepuszczonych do anody co już

powodując wzmocnienie prądowe. Z rodziny charakterystyk statycznych na poniższym

rysunku widać, że

∆

U

S

<

∆

U

a

(8V<90V) co daje wzmocnienia napięciowe. Dodatkowo

mamy: I

a

>I

S

oraz

∆

I

a

>

∆

I

S

co w rezultacie daje znaczne wzmocnienie mocy.

∆

U

a

×

∆

I

a

>>

∆

U

a

×

∆

I

S

∆

P

Ra

>>

∆

P

Sterujące

http://ecclab.com/start.php3?ID=6.

Parametry lampy.

Oznaczenia: Ua - Napięcie anodowe (względem katody). Ia - Prąd anodowy Us

- Napięcie siatka – katoda,

∆

– symbol małej zmiany (przyrostu), R

a

- rezystor

anodowy (obciążenie).

r

a

(lub ρ

a

) - dynamiczna rezystancja anodowa:

r

a

=

∆

U

a

/

∆

I

a

przy stałym napięciu siatki U

S

g

m

- transkonduktancja (lub S

a

- nachylenie charakterystyki):

g

m

=

∆

I

a

/

∆

U

S

przy stałym napięciu anody U

a

.

µ

(lub k

a

) - współczynnik amplifikacji:

µ

=

I

∆

U

a

/

∆

U

S

I

przy stałym prądzie anodowym I

a

.

Występuje związek między współczynnikiem amplifikacji

µ

,

rezystancją dynamiczną anodową r

a

i transkonduktancją g

m

(nachyleniem charakterystyki S

a

):

µ

= r

a

×

g

m

(lub k

a

= ρ

a

×

S

a

)

Wzmocnienie napięciowe k

U

=

µ

×

R

a

/( r

a

+R

a

)

k

U

= k

a

×

R

a

/(ρ

a

+R

a

)

Zanim przejdziemy do omawiania tranzystora warto wspomnieć oprócz triody, o

takich lampach jak tetroda czy pentoda. Trioda jest lampą trójelektrodową i

najprostszą zapewniającą efekt wzmocnienia. Poprawiając charakterystyki

wzmacniacza w lampie dodano drugą siatkę (o stałym potencjale dodatnim)

aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą między anodą a siatką pierwszą

„sterującą” – tak powstała tetroda. Tetroda miała jednak poważną wadę

polegającą na tym, że część elektronów wtórnych, wybijanych z anody była

przechwytywana przez dodaną siatkę drugą. Taki efekt, zwany dynatronowym,

powodował wklęśnięcia na charakterystykach anodowych lampy (I

a

=I

a

(U

a

)) a

przez to poważne zniekształcenia wzmacnianego sygnału. Aby tego uniknąć

dodano jeszcze jedną, trzecią siatkę – tak powstała pentoda. Siatka trzecia w

pentodzie zwykle ma potencjał zerowy (czyli jest zwarta z katodą) i dzięki temu

stanowi barierę dla elektronów wtórnych z anody. Elektrony wtórne są

zawracane do anody i efekt dynatronowy tu nie występuje. Oprócz pentod z

siatką zerową (antydynatronową) stosowane były również pentody z

podwójnym sterowaniem, tzw. pentody mieszające. W takich pentodach siatka

trzecia była drugą siatką sterującą. Takie pentody można było stosować w

układach koincydencyjnych i antykoincydencyjnych jak również do przemiany

częstotliwości (czy modulacji sygnałów w.cz.). Ich wadą znowu była duża

pojemność między anodą a siatką trzecią (S3) ograniczając od góry

częstotliwość sygnałów doprowadzanych do siatki S3. W heptodzie mamy dwie

dodatkowe siatki ekranujące (S1 i S3 sterujące a S2 i S4 ekranujące albo S1 i

S4 sterujące a S3 i S5 ekranujące z S2 jako specjalnej siatki-anody dla

heterodyny – lokalnego generatora).

TRANZYSTORY

W 1926r. Julius Lilienfeld (autor wielu patentów) opatentował ideę, że

słabo przewodzący materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie

zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu

wzmocnienia (i może też efektu przełączenia). Poszukiwania realizacji

tej idei trwały wiele lat. Przemysł
telekomunikacyjny stosował w tym
czasie niedogodne lampy próżniowe
i przełączniki. Po wojnie w roku 1946
Mervin Kelly dyrektor laboratoriów
Bell’a powołał grupę badawczą dla
opracowania stałociałowych substytutów
lamp i przełączników. Członkowie tej grupy w 1947 roku, wynaleźli

tranzystor ostrzowy a po kilku miesiącach tranzystor złączowy.

Tranzystory polowe, realizujące ideę Lilienfelda, pojawiają się od 1953

roku – jako tranzystory typu JFET, i po 1960 roku – jako tranzystory

MOSFET

. Już w 1954 roku sprzedano 100 000 tranzystorowych radioodbiorników a

laboratoria Bell’a wykonały komputer z 700 tranzystorami dla sił powietrznych USA.

Tranzystor

– to wynalazek, który wywarł i nadal wywiera wielki wpływ na człowieka i jego

otoczenie. Wynalezienie tranzystora było jednym z wielu pożytecznych wyników szerokiego
programu badawczego poświęconego półprzewodnikom, w którym brali udział fizycy, chemicy,
metalurdzy i elektronicy. Wiele lat przed wynalezieniem tranzystora wiadomo było, że
przewodność półprzewodnika zmienia się pod wpływem temperatury oraz pod wpływem
oświetlenia (przewodność rośnie z temperaturą – odwrotnie niż w metalach, przewodność rośnie
też przy oświetlaniu). Oczywistym jest, że przewodność zależy od ilości nośników ładunku w
jednostce objętości oraz od ruchliwości tych nośników. Ruchliwość to stosunek prędkości dryfu
nośników ładunku v

d

w polu elektrycznym E do natężenia tego pola. Ruchliwość nośników

ładunku decyduje o szybkości działania i przełączania tranzystorów. Wzrost temperatury obniża
ruchliwość w metalach i półprzewodnikach ale gwałtownie zwiększa ilości nośników ładunku i
przewodność tylko w półprzewodnikach . Efekty te wyjaśnia pasmowa teoria ciał stałych
zapoczątkowana przez A.H. Wilsona w 1931r. Już na początku XX wieku jako odbiorczy układ
radiowy wykorzystywano, nie rozumiejąc jego działania, detektor kryształowy (inaczej dioda
ostrzowa) w postaci złącza bardzo cienkiego drutu stalowego z kryształkiem galeny (PbS).
Układy z detektorem kryształowym były stopniowo wypierane przez układy lampowe, a te już w
drugiej połowie XX wieku przez układy tranzystorowe. Oczywiście to fizycy wynaleźli
tranzystor i fizycy znajdują kolejne jego udoskonalenia.
William Bradford Shockley w roku 1938 rozpoczął
poszukiwanie sposobu zmiany detektora krystalicznego
na wzmacniacz sygnału elektrycznego. Poszukiwania te
przerwane przez wojnę kontynuował od roku 1945
kierując grupą, w której byli między innymi Brattain i
Bardeen (wynalazcy tranzystora ostrzowego).

W budowie tego pierwszego tranzystora trudnym było umieścić dwa ostrza (emiter i

kolektor) w odległości około 0,1 mm od siebie na czystej powierzchni kryształu Ge.

Tranzystory złączowe bipolarne

Znak + w n

+

i p

+

oznacza silniejsze domieszkowanie; emiter jest

domieszkowany bardziej niż kolektor. Tranzystor ma tylko 3
końcówki!

Dzięki tranzystorom możemy: 1) budować układy wzmacniające iloczyn

napięcia i prądu czyli moc sygnału elektrycznego, 2) budować przełączniki i
układy zerojedynkowe.

Podobne możliwości stwarzały lampy ale przy

większych kosztach i stratach energii na grzanie katod. Ponadto dzięki

tranzystorom dokonuje się rewolucja, w której dotychczasowy nośnik informacji

- papier zastępowany jest nośnikami elektronicznymi i powstaje „inteligencja” z

elektronicznymi mózgami i sensorami daleko bardziej sprawnymi od naszych

biologicznych.
W nazwie tranzystora słowo „bipolarne” bierze się z tego, że w mechanizmie

działania takich tranzystorów istotną rolę odgrywają nośniki ładunku obu
znaków.

Tranzystory te składają się z dwóch złączy pn, które razem stanowią układ typu

npn albo pnp. Takie układy nazywamy odpowiednio tranzystorami typu npn lub

pnp. W obu przypadkach środkowa warstwa półprzewodnika, zwana bazą B,

jest bardzo cienka. Jej grubość jest porównywalna ze średnią drogą swobodną

nośników ładunku wstrzykiwanych do niej z emitera, tak aby zapewnić sam

efekt tranzystorowy polegający na przechwytywaniu tychże nośników przez

kolektor. Prąd kolektora jest niemal równy prądowi emitera. Tylko drobna część

nośników (około 1%), które ulegną rekombinacji w cienkiej bazie stanowią prąd

bazy. Brzegowe warstwy tranzystora mają nazwy odpowiednio: emiter E i

kolektor C. Nazwa „tranzystor” pochodzi od angielskiego opisu efektu:

TRANsferable reSISTOR, w którym rezystancja między kolektorem a emiterem

może być zmieniana przez sygnał podany między bazę a emiter.

Modele diodowe ułatwiają sprawdzenie i rozpoznanie tranzystora
przy pomocy multimetru. Multimetry zwykle dysponują funkcją
dioda, która daje stały prąd od zacisku czerwonego do tzw.
wspólnego. Sprawdzając tą funkcją złącza BE i BC, stwierdzimy,
że U

CB

< U

BE

co jest zgodne z faktem silniejszego domieszkowania

emitera niś colektora. Tranzystor połączony szeregowo swoimi
zaciskami emitera i kolektora z opornikiem i włączony do zasilania
napięciem U

CC

stanowi swoisty dzielnik napięcia! Złącze BE jest

polaryzowane sygnałem sterującym. Otwierając złącze BE
powodujemy, że z emitera wprowadzane są mobilne nośniki
ładunku w obszar cienkiej bazy a tym samym w pobliże złącza BC.
Około 99% tych nośników jest porywane przez kolektor (rys. na
następnym slajdzie). Tylko około 1% nośników trafia w obszarze
bazy na nośniki przeciwnego znaku i rekombinuje z nimi. W
tranzystorze npn elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy
rekombinują z dziurami – nośnikami większościowymi w bazie. Na
miejsce każdej znikającej dziury, w procesie rekombinacji, z
zacisku bazy wchodzi następna dziura stanowiąc część prądu
bazy.
Najprostszy model intuicyjny mówi, że sygnałem o małej
amplitudzie mocy, za pomocą bazy (zaworu), dokonuje się
zamykanie i otwieranie przepływu dużego ładunku
(o dużej amplitudzie mocy) między kolektorem i emiterem.
Czasem tranzystor nazywany jest triodą półprzewodnikową.

Źródło sterujące złączem BE pracuje z małym prądem ale
decyduje o prądzie o natężeniu o dwa rzędy wielkości większym w
obwodzie emiter-kolektor-opornik-zasilacz dużej mocy. Cechą
charakterystyczną tranzystora jest to, że prąd kolektora I

C

jest

proporcjonalny do prądu bazy I

B

. Stosunek ß

st

= I

C

/I

B

nazywa się

statycznym (stałoprądowym) współczynnikiem wzmocnienia
prądowego (inne oznaczenie: h

21E

= I

C

/ I

B

). Prąd emitera

rozgałęzia się na prąd bazy i prąd kolektora: I

E

= I

C

+ I

B

.

Zatem I

E

jest h

21E

+1 razy większy od I

B

.

Cieczowy model spolaryzowanego otwartego i

zamkniętego tranzystora npn

Modele tranzystora bipolarnego

Tranzystory bipolarne pracujące jako wzmacniacze traktuje się
zwykle jako elementy sterowane prądowo (sterowane prądem
bazy), choć stosowane są też modele w postaci źródeł napięcia
lub prądu sterowanych napięciem.

µ

- jest współczynnikiem

proporcjonalności.

Modele tranzystora bipolarnego

Tranzystory bipolarne mogą też
pracować jako elementy
przełączające (nieliniowe, on/off).
Wtedy można je traktować
jako przełączniki sterowane
prądem (rys. a) albo
przełączniki sterowane
napięciem (rys. b).

Przykład. Wyznaczyć wzmocnienie
K

u

= u

o

/u

s

układu, którego model

przedstawia rysunek obok.
Rozw.
u

in

= u

s

×

r

i

/(r

i

+ R

s

),

i napięcie wyjściowe sterowanego źródła napięcia wynosi:

µ

u

in

=

µ×

u

s

×

r

i

/(r

i

+ R

s

),

napięcie wyjściowe układu (z zasady działania dzielnika napięcia) wynosi:
u

o

=

µ×

u

s

×

r

i

/(r

i

+ R

s

)

×

R

o

/(r

out

+ R

o

)

K

u

= u

o

/u

s

=

µ×

r

i

/(r

i

+ R

s

)

×

R

o

/(r

out

+ R

o

)

Z wyrażenia na k

u

widać, że wzmocnienie układu jest mniejsze od

µ

(wzmocnienia samego tranzystora) i zależy od względnej

wartości rezystancji wejściowej r

i

i rezystancji źródła R

s

oraz

rezystancji obciążenia R

o

i rezystancji wyjściowej r

out

.

Wzmocnienie staje się bliskie wartości

µ

gdy r

i

>> R

s

i R

o

>> r

out

.

Prosty model tranzystora

mówi, że:

I

C

=

β

I

B

,

gdzie 10<

β

<1000

.

Każdy tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi

(dopuszczalnymi) wartościami I

C

, I

B

i U

CE

. Ważną

wielkością charakteryzującą tranzystor jest częstotliwość

graniczna f

T

określana jako ta, przy której współczynnik

wzmocnienia prądowego maleje do jedności

Tzw. prosty model tranzystora jako wzmacniacza prądowego mówi, że z
dobrym przybliżeniem prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy: I

C

=

β

st

I

B

(w rzeczywistości β zależy od: natężenia prądu kolektora, napięcia

kolektor-emiter, temperatury, a nawet od egzemplarza tego samego typu
tranzystora). Ponadto w modelu prostym przyjmujemy, że U

BE

= const. = 0.6V,

tranzystor sterowany jest prądowo, I

E

=I

C

+I

B

=I

B

(1+ β). Gdy tranzystor pracuje

jako wzmacniacz, złącze baza-emiter jest polaryzowane w kierunku
przewodzenia. Bariera potencjału na tym złączu jest zredukowana. W efekcie
mamy znaczny prąd w elementach: emiter - bardzo cienka baza (rzędu µm) -
kolektor. W obwodzie bazy płynie znikomy prąd gdyż prawie wszystkie nośniki
ładunku wstrzykiwane z emitera do bazy szybko znajdują się w obszarze
złącza baza-kolektor i tu są przyspieszane do kolektora. Dzięki temu, że w
cienkiej bazie prawdopodobieństwo rekombinacji i rozproszenia nośników jest
małe, około 99% prądu emitera przechwytuje kolektor. Pozostałe około 1%
prądu emitera stanowi prąd w obwodzie bazy. O wzmocnieniu decyduje fakt, że
małe amplitudy U

B

i I

B

powodują duże amplitudy U

C

i I

C

(bo I

C

= β

st

I

B

a U

C

=

R

C

I

C

). Czyli mała amplituda mocy w obwodzie bazy wywołuje dużą

(wzmocnioną) amplitudę mocy w obwodzie kolektora!

Przykład. Wiedząc, że woltomierze w podanym
układzie pokazały napięcia: V

1

= U

B

= 2 V, V

2

= U

E

= 1,3 V

oraz V

3

= U

C

= 6 V wykazać, że tranzystor jest otwarty

i obliczyć wartość wzmocnienia prądowego

β

.

Rozw.
Stan otwarcia tranzystora wynika z faktu, że
U

BE

= U

B

– U

E

– 2 -1,3 = 0,7 V. Stan otwarcia wynika też

faktu, że napięcie kolektora jest znacznie niższe od U

CC

co wskazuje na znaczny prąd kolektora (i spadek napięcia
na R

C

).

β

= I

C

/I

B

,

I

B

= (U

BB

– U

B

)/R

B

= (4 – 2)/50000 = 40

µ

A,

I

C

= (U

CC

– U

C

)/R

C

= (12 – 6)/1000 = 6 mA,

β

= I

C

/I

B

= (6 mA)/(40

µ

A) = 150.

Gdyby U

BB

obniżyć z 4 V do poniżej 0,7 V tranzystor przeszedłby do stanu

odcięcia (nie przewodzenia – prądy bazy i kolektora zbliżyłyby się do zera).
Gdyby natomiast woltomierz V

3

wykazał niskie napięcie np. V

3

= U

C

= 1,6 V to

U

CE

= U

C

– U

E

= 0,3 V, ta (graniczna) wartość U

CE

oznaczałaby stan nasycenia

tranzystora.

Uproszczony model Ebersa-Molla mówi, że:
I

C

= I

S

[exp(U

BE

/U

T

) – 1]

Poprawniejszym modelem tranzystora bipolarnego jako elementu

transkonduktancyjnego jest model Ebersa-Molla. W tym modelu

wykorzystujemy zależność prądu kolektora od napięcia między bazą a

emiterem U

BE

: I

C

= I

S

[exp(U

BE

/U

T

) - 1] (jest to uproszczone równanie Ebersa-

Molla, w dalszym uproszczeniu składnik -1 jest pomijany gdy I

C

>> I

S

).

gdzie: U

T

= kT/q (= 25.3mV w temperaturze pokojowej), I

S

prąd wsteczny

nasycenia zależny od danego egzemplarza tranzystora i jego temperatury. Ta

zależność jest tak silna, że I

C

rośnie o 9% przy wzroście temperatury o 1°C i

niezmienionym napięciu U

BE

(pomimo tego, że U

T

= kT/q).

Model Ebersa-Molla jest bardziej przydatny do opisu dynamiki przełączania

tranzystora w elektronice cyfrowej (dwustanowej). Przy pomocy modelu E-M

można oszacować niektóre parametry tranzystora niezależne od typu.

Przykładowa rodzina charakterystyk

tranzystora bipolarnego

Efekt Early’ego:

niezerowy wpływ napięcia
U

CE

na prąd kolektora przy

stałym napięciu U

BE

.

Powoduje to odchylenia od
idealnego źródła prądowego.
(U

BE

też zależy od U

CE

przy

stałym I

C

).

∆

U

BE

≅

0.0001

∆

U

CE

.

Widać, że opór dynamiczny r

E

ma małą wartość i głównie zależy od natężenia prądu I

C

.

Zależność r

E

od temperatury ukryta jest w wartości U

T

.

Uwaga.

W odróżnieniu od oporników czy kondensatorów zwanych dwójnikami,

tranzystory podobnie jak wiele układów (np. filtry) zaliczamy do czwórników. Dla

czwórników wyróżniamy dwie wielkości wejściowe U1 i I1 oraz dwie wyjściowe: U2 i I2.

Zauważmy, że przyłożenie napięcia do jakiegoś układu wymaga dwóch zacisków.

Podobnie jest z odebraniem np. wzmocnionego napięcia. Fakt ten w naturalny sposób

przyczynia się do stosowania teorii czwórników w elektronice a w szczególności do opisu
wzmacniaczy. Symbol: h

21E

to właśnie element tzw. macierzy H

e

.

Również w przybliżeniu liniowym (małe otoczenie punktu spoczynkowego Q - quiescent
point) stosowane są tzw. parametry hybrydowe:

Proste układy tranzystorowe

Źródło prądowe Negator Wyłącznik żarówki

Suma napięć: stałego 5.6 V 5V na we. daje W przełączniku
i spadku napięcia na R

E

0.3 V na wy. Zaś

mamy prąd o dwa

polaryzują złącze BE. Zatem poniżej 0.6V na rzędy wielkości
R

E

realizuje tzw. ujemne we. daje 5V na wy. mniejszy od prądu

sprzężenie zwrotne żarówki.
stabilizujące prąd obciążenia. Oszczędzamy
przełącznik.

Charakterystyka przejściowa
tranzystora I

C

=I

C

(U

BE

) -->

Charakterystyka przejściowa
układu U

wy

= U

wy

(U

we

).

Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn i
ograniczenie wyboru obciążenia R

C.

Prosta obciążenia I

C

= (U

CC

- U

CE

)/R

C

powinna leżeć poniżej hiperboli P

max

= I

C

•U

CE .

linia odcięcia – oba złącza nie

przewodzą. Linia nasycenia – gwałtowny spadek wsp. β i utrata liniowości przy
minimalnym napięciu U

CE

.

Parametry i charakterystyki tranzystorów bipolarnych
Od współczynnika

β

st

należy odróżniać współczynnik

małosygnałowy

β

.

β

=

∂

I

C

/

∂

I

B

przy U

CE

= const. natomiast

β

st

= I

C

/I

B

Gdy tranzystor pracuje z małymi sygnałami, np. w układzie

wzmacniacza liniowego wówczas charakterystyki w otoczeniu

punktu pracy mogą być zastąpione stycznymi, zwanymi

parametrami małosygnałowymi lub różniczkowymi. Oto kilka

przykładów:
1. Transkonduktancja:
g

m

=

∂

I

C

/

∂

U

BE

= (

∂

I

C

/

∂

I

BE

)(

∂

I

B

/

∂

U

BE

) = h

fe

/h

ie

(w przybliżeniu g

m

= I

C

/U

T

=I

C

/25mV, dla I

C

=2,5mA g

m

≅

0,1S).

2. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wyjściowa:
r

CE

=

∂

U

CE

/

∂

I

C

przy U

BE

= const.

3. Różniczkowa (dynamiczna) rezystancja wejściowa:
r

BE

=

∂

U

BE

/

∂

I

B

przy U

CE

= const.

Wzmacniacze
Wzmacniacze są urządzeniami, w których energia ze źródeł
zasilania (zasilaczy) jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego
przy pomocy sygnału sterującego. Zwykle do wejścia wzmacniacza podawana

jest suma składowej stałej i składowej zmiennej: u(t) = U

0

+ U

ZMIeNNE

, i(t) = I

0

+

I

ZMIENNE

. Składowa zmienna jako sygnał wzmacniany zwykle jest znacznie

mniejsza od składowej stałej. Składowa stała pełni tylko rolę pomocniczą

wyznaczając punkt pracy wzmacniacza tranzystorowego. Wyróżniamy trzy typy

wzmacniaczy: WE, WB WK.
Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE) jest dzielnikiem napięcia
utworzonym przez impedancję obciążenia i sterowaną (a zatem
zmieniającą się) impedancję tranzystora między kolektorem a
emiterem. Wyrażenie : wspólny emiter oznacza, że emiter jest
wspólną dla wejścia i dla wyjścia (uziemioną) elektrodą tranzystora.
Sygnałem wyjściowym (wzmocnionym) jest napięcie i prąd kolektora. Zmienna

składowa napięcia kolektora (określanego względem zerowego potencjału

masy i uziemionego emitera) ma fazę przeciwną (tj. odwróconą o 180

o

) do fazy

sygnału sterującego - wejściowego. Wzrostowi potencjału na bazie (dodatnia

amplituda składowej zmiennej sygnału sterującego u

BE

) odpowiada

zmniejszenie impedancji tranzystora i napięcia na kolektorze u

CE

. Wzmocnienie

prądowe wynosi h

21E

=

β

. Przy znacznym wzmocnieniu napięciowym (zależnym

od obciążenia) wzmocnienie mocy jest rzędu

β

2

.

Wzmacniacz o wspólnym kolektorze (WK).
Układy WK często zwane są wtórnikami
emiterowymi. Kolektor jest tu elektrodą
wspólna dla składowych zmiennych
ponieważ jest zwarty z „ziemia” poprzez
dużą pojemność zasilacza (stałość
napięcia U

CC

). To znaczy, że na kolektorze jest tylko stały potencjał – brak

składowej zmiennej. Obciążenie znajduje się między emiterem a „ziemią” i

wraz z tranzystorem stanowi dzielnik napięcia. Istotne jest, że ten układ nie

odwraca fazy, powtarza zmiany napięcia wejściowego i powiększa prąd

wejściowy

β

-razy (wzmocnienie mocy też wynosi

β

). Brak wzmocnienia

napięciowego (

∆

U

wy

/

∆

U

we

jest o „włos” mniejsze od 1 bo r

E

nie jest = 0) wyjaśnia

nazwę: wtórnik emiterowy – układ powtarza napięcie zmienne. Potencjał na

bazie jest cały czas większy od potencjału na emiterze o około 0.6 V (0.6 do

0.7 V) ponieważ tranzystor jest cały czas otwarty. Zatem potencjał emitera

„wędruje” za potencjałem bazy cały czas będąc przesuniętym o 0.6 V -

potrzebne do otwarcia złącza BE. Ponieważ U

BE

=U

we

-U

Robc

mamy do czynienia

z ujemnym sprzężeniem zwrotnym redukującym wzmocnienie napięciowe.

Bardzo ważnym jest, że R

we

=

β

R

obc

, gdyż prąd wyjściowy jest

β

-krotnie większy

od prądu wejściowego. Dzięki temu układ WK jest swoistym transformatorem

impedancji i pozwala na dopasowanie małej impedancji obciążenia do dużej

impedancji źródła sygnału sterującego (wzmacnianego prądowo).

Wzmacniacz o wspólnej bazie WB.
W tym układzie potencjał bazy jest stały a
sygnałem sterującym (wzmacnianym)
zmieniany jest potencjał emitera. Układ
ten nie zmienia fazy sygnału wzmacnianego
przy niskich częstotliwościach. Tj. wyjściowy
sygnał ma fazę zgodną z sygnałem wejściowym. Wzmocnienie prądowe
wynosi prawie 1 (jest około 1% mniejsze od 1). Wzmocnienie napięciowe jest
duże i zależy od R

C

. Istotną zaletą tego układu jest mała pojemność

(pasożytnicza) C

we-wy

= C

EC

, która faworyzuje go przy wzmacnianiu sygnałów o

wysokich częstotliwościach. Wadą jest mała rezystancja wejściowa (I

E

jest

β

+

1 razy większy od I

B

). Układ ten mając dużą impedancję wyjściową może

dopasowywać (przeciwnie do układu WK) dużą impedancję obciążenia do
małej impedancji źródła.

Uwaga.

Przy doborze tranzystora katalogowa graniczna częstotliwość

tranzystora f

t

powinna być około 100 razy większa niż przewidywana granica

pasma przenoszenia wzmacniacza WE. W przypadku wzmacniaczy WK i WB
wymagania są znacznie mniejsze i f

t

może być nawet porównywalna z f

g

.

Wzmacniacz o wspólnym emiterze (WE).

Rezystory R1 i R2 stanowią dzielnik napięcia zapewniający spoczynkowy punkt

pracy układu (określają potencjał bazy). C1 i C3 są pojemnościami

sprzęgającymi przekazującymi tylko składową zmienną sygnału pomiędzy

kolejnymi stopniami układu. C1 jest kondensatorem wejściowym a C3

wyjściowym dla naszego układu. R

E

i C

E

zapewniają silne ujemne sprzężenie

zwrotna dla najniższych częstotliwości stabilizując tym sposobem pracę

układu.
R

C

jest opornikiem kolektora na którym odkłada się zmienny spadek napięcia o

amplitudzie wielokrotnie większej (efekt wzmocnienia) od amplitudy sygnału
podawanego na bazę. Faza tego sygnału jest przesunięta o 180

o

(bo wyższy

potencjał na bazie wymusza większy prąd kolektora i przez to większy spadek
U na R

C

i niższy potencjał na kolektorze). Przed wykonaniem wzmacniacza

należy wybrać tranzystor i poznać jego parametry z odpowiedniego katalogu.
Znając parametry dobieramy wartości Ucc i Ic (Ic = I

spoczynkowe

).

Rc – dobieramy tak aby Ic • Rc = Ucc/2. R

E

dobieramy tak aby Ic • R

E

= około 1V (dla

stabilności temperaturowej). R1 i R2 dobieramy tak
aby: U

B

=V

E

+0,6V

≅

1,6V oraz R

T

(R Thevenina)

tego dzielnika nie była większa od 0,1 • R

we

tj. R

T

< 0,1•

β

•R

E

. czyli R

1

≅

0,1•

β

•R

E

.

O doborze pojemności decyduje pasmo
częstotliwości wzmacnianych sygnałów.

Efekt Millera

Polega na tym, że pojemność

między wejściem a wyjściem

dowolnego odwracającego

fazę wzmacniacza jest

elementem ujemnego

sprzężenia zwrotnego. Takie

pojemnościowe ujemne

sprzężenie zwrotne osłabia, a

dla wyższych częstotliwości

nawet eliminuje wzmocnienie.

We wzmacniaczu o wspólnym

emiterze pojemność C

CB

osłabia wzmocnienie w takim

stopniu jak pojemność

wejściowa o wartości: C

wej.

=

C

CB

(1+k

U

) (która z opornością

wewnętrzną źródła stanowi filtr

dolnoprzepustowy).

Sposoby eliminacji efektu Millera

Jednowejściowy
wzmacniacz różnicowy

Przykład. Wyznaczyć rezystancję rezystora Rc oraz zakres zmian napięcia
wyjściowego w układzie z termometru diodowego.
Dane; Ucc = 12 V,

β

= 180; U

BE

= 0,7V R

S

= 500

Ω

R

B

= 10 k

Ω

.

Zakres zmian U

D

0,92 – 1,26 V przy zmianie T 0 - 100°C.

Rozw. Musimy tak dobrać elementy układu aby
dla środkowej wartości zmian napięcia diody 1,1V
wyjściowe napięcie wynosiło też środkową
wartość napięć kolektora czyli 6 V: połowę z 12 V
(dla minimalnych zniekształceń). Obliczamy parametry
punktu spoczynkowego Q: I

BQ

= (U

DQ

– U

BEQ

)/R

B

=

= (1,1 - 0,7)/10000 = 40

µ

A. Stąd I

CQ

=

β

I

BQ

= 180

×

40

= 7,2 mA, zatem R

C

= (U

CC

–

U

CEQ

)/I

CQ

= (12 V – 6 V)/7,2 mA

= 0,833 k

Ω

.

U

out gr1

= U

CC

– R

C

β

I

Bgr1

= 12 - 833

×

180

×

((1,26 - 0,7)/10000 = 3,6 V

U

out gr2

= U

CC

– R

C

β

I

Bgr2

= 12 - 833

×

180

×

((0,92 - 0,7)/10000 = 8,7 V

Odp. R

C

= 833

Ω

, Zakres napięć wyjściowych: 3,6 – 8,7 V.

Rezystancja wewnętrzna woltomierza jest duża (zwykle więcej niż 1 M

Ω

)

zatem
wpływ tej rezystancji na wskazania woltomierza jest do zaniedbania.

Przykładowe dane techniczne tranzystora

Wartości graniczne

Elektrotechnika i elektronika
lista zadań 10

1) Oblicz wzmocnienie napięciowe k

U

układu przedstawionego na rys. wiedąc,
że R

s

= 1

Ω

, r

i

= 24

Ω

, r

w

= 100

Ω

,

R

o

= 5 k

Ω

a

µ

= 250.

2. Wiedząc, że woltomierze pokazały napięcia: V

1

= 2 V,

V

2

= 1,3 V i V

3

= 8 V. Oblicz wartość wzmocnienia

prądowego

β

.

3. Oblicz spoczynkowe wartości I

B

, I

C

, U

CE

oraz

Wzmocnienie prądowe

β

. Dane: R

1

= 100 k

Ω

, R

2

= 50 k

Ω

,

R

C

= 5 k

Ω

, R

E

= 3k

Ω

, U

CC

= 15 V, U

BE

= 0,7 V.

4.

Mając dane triody:

ρ

a

= 200

Ω

,

µ

a

= 100 oraz

wartość R

a

= 1,8 k

Ω

oblicz wzmocnienie napięciowe

układu k

U

: